有源模擬帶通濾波器課程設(shè)計

1、一 項目目的電子電路仿真項目是通信工程專業(yè)教學(xué)體系中一個實踐性很強(qiáng)的環(huán)節(jié)。它將模擬電子線路（低頻部分和高頻部分）、數(shù)字邏輯電路等課程的理論與實踐有機(jī)結(jié)合起來，加強(qiáng)學(xué)生實驗基本技能的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生實際動手能力、理論聯(lián)系實踐的能力。通過本課程設(shè)計讓學(xué)生掌握電子電路系統(tǒng)的設(shè)計、制作、調(diào)試、仿真的方法。二 主要器件介紹1 濾波器 濾波器是一種對信號有處理作用的器件或電路。其主要作用是讓有用信號盡可能無衰減的通過，對無用信號盡可能大的衰減。 濾波器一般有兩個端口，一個輸入信號、一個輸出信號，利用這個特性可以將通過濾波器的一個方波群或復(fù)合噪波，而得到一個特定頻率的正弦波。濾波器，顧名思義，是對波進(jìn)行過濾的

2、器件。濾波，本質(zhì)上是從被噪聲畸變和污染了的信號中提取原始信號所攜帶的信息的過程。 2.濾波器的分類2.1按所處理的信號按所處理的信號分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。2.2按所通過信號的頻段按所通過信號的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。低通濾波器：它允許信號中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲。高通濾波器：它允許信號中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量。 、帶通濾波器：它允許一定頻段的信號通過，抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲。 、帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號，允許該頻段以外的信號通過。 2.3按所采用的元器件按所采用的元器件分為無源和有源濾波器兩種。2.3.1

3、、無源濾波器：僅由無源元件(R、L 和C)組成的濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：電路比較簡單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號有能量損耗，負(fù)載效應(yīng)比較明顯，使用電感元件時容易引起電磁感應(yīng)，當(dāng)電感L較大時濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。2.3.2、有源濾波器：由無源元件(一般用R和C)和有源器件（如集成運(yùn)算放大器）組成。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級相聯(lián)時相互影響很小，利用級聯(lián)的簡單方法很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不

4、使用電感元件）；缺點(diǎn)是：通帶范圍受有源器件(如集成運(yùn)算放大器）的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場合不適用。 1)基本原理：有源電力濾波器，是采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和基于高速DSP器件的數(shù)字信號處理技術(shù)制成的新型電力諧波治理專用設(shè)備。它由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩個主要部分組成。指令電流運(yùn)算電路實時監(jiān)視線路中的電流，并將模擬電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入高速數(shù)字信號處理器（DSP）對信號進(jìn)行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調(diào)制（PWM）信號形式向補(bǔ)償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動脈沖，驅(qū)動IGBT或IPM功率模塊，生成與電網(wǎng)諧波電流幅值相等、極性相反的補(bǔ)償

5、電流注入電網(wǎng)，對諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償或抵消，主動消除電力諧波。 2)應(yīng)用通信行業(yè)為了滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)中心機(jī)房的運(yùn)行需要，通信配電系統(tǒng)中的UPS使用容量在大幅上升。據(jù)調(diào)查，通信低壓配電系統(tǒng)主要的諧波源設(shè)備為UPS、開關(guān)電源、變頻空調(diào)等。其產(chǎn)生的諧波含量都較高，且這些諧波源設(shè)備的位移功率因數(shù)極高。通過使用有源濾波器可以提高通信系統(tǒng)及配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，延長通信設(shè)備及電力設(shè)備的使用壽命，并且使配電系統(tǒng)更符合諧波環(huán)境的設(shè)計規(guī)范。2.4 無源濾波器和有源濾波器，存在以下的區(qū)別： 工作原理無源濾波器由LC等被動元件組成，將其設(shè)計為某頻率下極低阻抗，對相應(yīng)頻率諧波電流進(jìn)行分流，其行為模式為提供被動式諧波電流旁路通道

6、；而有源濾波器由電力電子元件和DSP等構(gòu)成的電能變換設(shè)備，檢測負(fù)載諧波電流并主動提供對應(yīng)的補(bǔ)償電流，補(bǔ)償后的源電流幾乎為純正弦波，其行為模式為主動式電流源輸出。 諧波處理能力無源濾波器只能濾除固定次數(shù)的諧波；但完全可以解決系統(tǒng)中的諧波問題，解決企 業(yè)用電過程中的實際問題，且可以達(dá)到國家電力部門的標(biāo)準(zhǔn)；有源濾波器可動態(tài)濾除各次諧波。 系統(tǒng)阻抗變化的影響無源濾波器受系統(tǒng)阻抗影響嚴(yán)重，存在諧波放大和共振的危險；而有源濾波不受影響。 頻率變化的影響無源濾波器諧振點(diǎn)偏移，效果降低；有源濾波器不受影響。 負(fù)載增加的影響無源濾波器可能因為超載而損壞；有源濾波器無損壞之危險，諧波量大于補(bǔ)償能力時，僅發(fā)生補(bǔ)償效

7、果不足而已。 負(fù)載變化對諧波補(bǔ)償效果的影響無源濾波器補(bǔ)償效果隨著負(fù)載的變化而變化；有源濾波器不受負(fù)載變化影響。 設(shè)備造價無源濾波器較低；有源濾波器太高。 應(yīng)用場合對比分析1. 有源濾波容量單套不超過100KVA，無源濾波則無此限制； 2. 有源濾波在提供濾波時，不能或很少提供無功功率補(bǔ)償，因為要占容量；而無源濾波則同時提供無功功率補(bǔ)償。 3. 有源濾波目前最高適用電網(wǎng)電壓不超過450V，而低壓無源濾波最高適用電網(wǎng)電壓可達(dá)3000V。 4.無源濾波由于其價格優(yōu)勢、且不受硬件限制，廣泛用于電力、油田、鋼鐵、冶金、煤礦、石化、造船、汽車、電鐵、新能源等行業(yè)；有源濾波器因無法解決的硬件問題，在大容量場

8、合無法使用，適用于電信、醫(yī)院等用電功率較小且諧波頻率較高的單位，優(yōu)于無源濾波。 3 運(yùn)放741uA741M，uA741I，uA741C（單運(yùn)放）是高增益運(yùn)算放大器，用于軍事，工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用.這類單片硅集成電路器件提供輸出短路保護(hù)和閉鎖自由運(yùn)作。 這些類型還具有廣泛的共同模式，差模信號范圍和低失調(diào)電壓調(diào)零能力與使用適當(dāng)?shù)碾娢?。uA741M，uA741I，uA741C芯片引腳和工作說明：1和5為偏置(調(diào)零端)，2為正向輸入端，3為反向輸入端，4接地，6為輸出，7接電源 8空腳基本電壓正負(fù)5V正負(fù)12V正負(fù)15V。此次電路還需要示波器等元件。 三 帶通濾波器1.1 簡介帶通濾波器是指能通過某一頻率范

9、圍內(nèi)的頻率分量、但將其他范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器，與帶阻濾波器的概念相對。一個模擬帶通濾波器的例子是電阻-電感-電容電路。這些濾波器也可以用低通濾波器同高通濾波器組合來產(chǎn)生。1.2帶通濾波器的工作原理：1 一個理想的濾波器應(yīng)該有一個完全平坦的通帶，例如在通帶內(nèi)沒有增益或者衰減，并且在通帶之外所有頻率都被完全衰減掉，另外，通帶外的轉(zhuǎn)換在極小的頻率范圍完成。實際上，并不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠?qū)⑵谕l率范圍外的所有頻率完全衰減掉，尤其是在所要的通帶外還有一個被衰減但是沒有被隔離的范圍。這通常稱為濾波器的滾降現(xiàn)象，并且使用每十倍頻的衰減幅度dB來表示。通常，濾波器的設(shè)計盡量保

10、證滾降范圍越窄越好，這樣濾波器的性能就與設(shè)計更加接近。然而，隨著滾降范圍越來越小，通帶就變得不再平坦開始出現(xiàn)“波紋”。這種現(xiàn)象在通帶的邊緣處尤其明顯，這種效應(yīng)稱為吉布斯現(xiàn)象。 除了電子學(xué)和信號處理領(lǐng)域之外，帶通濾波器應(yīng)用的一個例子是在大氣科學(xué)領(lǐng)域，很常見的例子是使用帶通濾波器過濾最近3到10天時間范圍內(nèi)的天氣數(shù)據(jù)，這樣在數(shù)據(jù)域中就只保留了作為擾動的氣旋。 在頻帶較低的剪切頻率f1和較高的剪切頻率f2之間是共振頻率，這里濾波器的增益最大，濾波器的帶寬就是f2和f1之間的差值。許多音響裝置的頻譜分析器均使用此電路作為帶通濾波器，以選出各個不同頻段的信號，在顯示上利用發(fā)光二極管點(diǎn)亮的多少來指示出信號

11、幅度的大小。這種有源帶通濾波器的中心頻率 ，在中心頻率處的電壓增益，品質(zhì)因數(shù) ，3dB帶寬也可根據(jù)設(shè)計確定的Q、fo、Ao值，去求出帶通濾波器的各元件參數(shù)值。，。上式中，當(dāng)時，C取0.02。此電路亦可用于一般的選頻放大。 有源帶通濾波器電路，此電路亦可使用單電源，只需將運(yùn)放正輸入端偏置在1/2V+并將電阻R2下端接到運(yùn)放正輸入端既可。2 二階有源模擬帶通濾波器的設(shè)計2 .1基本參數(shù)的設(shè)定 二階有源模擬帶通濾波器電路，如圖1所示。圖中R1、C2組成低通網(wǎng)絡(luò)，R3、C1組成高通網(wǎng)絡(luò)，A、Ra、Rb組成了同相比例放大電路，三者共同組成了具有放大作用的二階有源模擬帶通濾波器，以下均簡稱為二階帶通濾波器

12、。根據(jù)圖l可導(dǎo)出帶通濾波器的傳遞函數(shù)為 式(5)為二階帶通濾波器傳遞函數(shù)典型表達(dá)式，其中0稱為中心角頻率。令s=j，代入式(4)，可得帶通濾波器的頻率響應(yīng)特性為可畫出其幅頻響應(yīng)曲線，如圖2所示。圖中，當(dāng)=0時，電壓放大倍數(shù)最大。帶通濾波器的通頻帶寬度為BW0.7=0(2Q)=f0Q，顯然Q值越高，則通頻帶越窄。通頻帶越窄，說明其對頻率的選擇性就越好，抑制能力也就越強(qiáng)。理想的幅頻特性應(yīng)該是寬度為BW0.7的矩形曲線，如圖3(a)所示。在通頻帶內(nèi)A(f)是平坦的，而通帶外的各種干擾信號卻具有無限抑制能力。各種帶通濾波器總是力求趨近理想矩形特性。然而實際設(shè)計出來的帶通濾波器的幅頻特性曲線，

13、如圖3(b)所示。在工程上，定義增益自A(f0)下降3 dB(即0707倍)時的上、下限頻率之差值為通頻帶，用BW0.7表示。要求其值大于有用信號的頻譜寬度，保證信號的不失真?zhèn)鬏?。綜上分析可知：當(dāng)有源帶通濾波器的同相放大倍數(shù)變化時，既影響通帶增益A0，又影響Q值(進(jìn)而影響通頻帶BW0.7)，而中心角頻率0與通帶增益A0無關(guān)。3.1.2課題要求帶通濾波的設(shè)計設(shè)計要求：要求設(shè)計一個有源二階帶通濾波器，通帶中心頻率為500Hz，通帶中心頻率處的電壓放大倍數(shù)為10；帶寬為50Hz。根據(jù)要求，選用相應(yīng)的元件實現(xiàn)帶通濾波器電路，并對進(jìn)行仿真和制作，并能利用相關(guān)儀器測量其技術(shù)指標(biāo)，通過示波器觀察結(jié)果。

14、60;通帶中心頻率  通帶中心頻率處的電壓放大倍數(shù)：  帶寬： 設(shè)計方案 為了能了解二階帶通濾波器在實際電路中應(yīng)用的效果，設(shè)計了如圖1的電路進(jìn)行實驗驗證。圖中U1A部分為放大電路，UlB部分為二階帶通濾波器電路。 根據(jù)式(2)式(4)，設(shè)計出了中心頻率在500Hz附近，品質(zhì)因素Q為10，頻帶寬度約為50Hz的二階帶通濾波器 。有題可知Q=10 ;f=500HZ;BW=50HZ;Au=10經(jīng)查表的到所要的數(shù)據(jù)由Q=10，K=10，可查表得各電阻阻值.因為k=100/(f。*c)=10得 元件KQR113.1836.3669.54912.73215.9151

15、9.09925.46531.83121.5923.1834.7556.3667.9589.54912.73215.91540.7961.5922.3873.1833.9794.7556.3667.95860.5311.0611.5922.1222.6533.1834.2445.30580.3980.7961.1941.5921.9892.3873.1833.979100.3180.6370.9551.2731.5921.9102.5463.183R212.2512.2512.2512.2512.2512.2512.2512.25123.1832.8642.5322.4592.4162.3872

16、.3522.32245.6683.7413.1832.9252.7882.6842.5892.50268.5504.9333.9393.4563.1833.0102.8022.684811.576.3664.7554.0393.6263.3633.5022.8761014.467.8115.6684.6674.1003.7413.3183.078R311.7411.3671.2741.2351.2111.1961.1771.16721.5921.3421.2661.2291,2081.1941.1771.16741.0191.1781.1941.1891.1831.1761.1671.1606

17、0.6710.9721.0791.1201.1371.1441.1481.14880.4860.7960.9551.0351.0771.1001.1231.313100.3770.6610.8400.9461.0101.0491.0901.110R4,R5 14.5024.5014.5024.5024.5024.5024.5024.50226.3665.3685.0644.9184.8324.7744,7044.664411.337.4826.3665.8505.5565.3685.1385.004617.119.9867.8786.9126.3666.0205.6045.368823.151

18、2.7329.5508.0787.2526.7266.1045.7521029.3315.67211.339.3348.2007.4826.6366.150 圖5 設(shè)計電路仿真波形圖6幅頻特性圖7調(diào)試結(jié)果處于中心頻率時濾波器顯示圖形如下： 圖8 截止頻率時示波器顯示波形：高低頻時處于截止?fàn)顟B(tài)，示波器顯示波形如下：幅頻特性曲線：四 遇到的問題 在這次實踐中我們遇到了一些問題，在最后階段的調(diào)試時，我們才發(fā)現(xiàn)電容用錯了，最后我們不得不重新焊接電路，由于實踐問題，我們也只能放棄了一個方案，只焊接了一個電路。這還是說明我們實踐的少，希望以后能多實踐來彌補(bǔ)我們的不足，提高我們的能力。五 項目總結(jié)拿到這個項目之后，我們首先查閱了大量資料，了解了帶通濾波器的基本模型，及公式算法。通過這次課程設(shè)計，加強(qiáng)了我們的動手、思考和解決問題的能力。在整個課程設(shè)計過程中，我們用了兩